34
NSWI021: Počítačové sítě II (verze 4.0) Jiří Peterka Lekce 3: Ethernet
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 1
NSWI021: Počítačové sítě II (verze 4.0)
Jiří Peterka
Lekce 3: Ethernet
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 2 co je Ethernet? • je přenosovou technologií na úrovni linkové a fyzické vrstvy – v RM ISO/OSI pokrývá fyzickou a linkovou vrstvu (jen její podvrstvu MAC)
– v TCP/IP spadá do vrstvy síťového rozhraní
• přenáší: – linkové rámce (podvrstvy MAC)
• proto musí řešit:
– formáty rámců
• ethernetových rámců
– adresování
• pomocí ethernetových adres
– jednotlivé bity (na fyzické vrstvě)
• proto musí řešit:
– přenosová média
• koaxiální kabel, kroucená dvoulinka, optika
– kódování jednotlivých bitů
• kódování Manchester, ……
fyzická vrstva
linková vrstva
síťová vrstva
fyz. vrstva Ethernetu
fyz. vrstva Token Ring
fyz. vrstva Token Bus
…..
Ethernet MAC
Token Ring MAC
Token Bus MAC
…..
podvrstva LLC
protokoly síťové vrstvy (např. IP)
L3
L2
L1
Ethernet Token Ring
Token Bus
….
protokol IP
vrstva síťového rozhraní
síťová vrstva L3
L1-2
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 3 proč je Ethernet tak úspěšný? • je přímočarý a jednoduchý
– v přímém souboji (cca 1980-1990) porazil jiné technologie
• začínal ve stejné době, jako například Token Ring a Token Bus
– prosadil se díky:
• rozumnějšímu přístupu svých tvůrců
– jeho specifikace se staly (otevřeným) standardem (od )
• i když zpočátku byl Ethernet „pod licencí“ a chráněn copyrightem
• větší jednoduchosti své přístupové metody (CSMA/CD)
– je neřízená (nedeterministická)
• nemusí ošetřovat řadu (málo častých) nestandardních situací
• celkově se to ukazuje jako výrazná výhoda
– je distribuovaná
• nepotřebuje (nemá) žádný centrální prvek
• nemá „central point of failure“
• intenzivnímu dalšímu vývoji
– vyvíjel se směrem:
• k vyšším rychlostem
• 10 Mbit/s, 100 Mbit/s
• 1 Gbit/s, 10 Gbit/s, 100 Gbit/s
• k možnosti používat další přenosová média
• koaxiální kabel, kroucená dvoulinka, optická vlákna, rádiový přenos
• k dalším schopnostem
• řízení toku, plný duplex, přepínaný Ethernet, Power over Ethernet, …..
• lepšímu marketingu
– úspěchu „klíčového slova“ Ethernet
• nízké ceně (i díky jednoduchosti)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 4
historie vzniku Ethernetu (cca 1973) • zrodil se ve středisku PARC (Palo Alto Research Center) firmy Xerox
– kde mj. vznikly:
• laserové tiskárny (1969)
• optická myš (1981)
• rozhraní GUI
• princip WYSIWYG
• pracovní stanice (Alto)
– měly první WYSIWYG editor (BRAVO), první myš, GUI a rastrový displej
– pracovaly s rychlostí 2,94 Mbps
• odvozeno od rychlosti systémových hodin
• co bylo úkolem?
– propojit mezi sebou větší počet stanic Alto, umístěných v jednom objektu
• bez nutnosti „rekonfigurovat“ síť a měnit její topologii při přidávání dalších stanic
– to bylo novinkou: dříve nikdo neměl (v jednom objektu) více pracovních stanic !!!
– propojit pracovní stanice Alto s rychlými laserovými tiskárnami
• které Xerox ve středisku PARC také vyvíjel
– laserové tiskárny byly pro Xerox zdrojem velkých příjmů
• které dokázaly financovat řadu dalších projektů (včetně budoucího Ethernetu)
snaha vytvořit síť LAN
pro jejich sdílení
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 5
základní principy Ethernetu (cca 1973)
• bude to přenosová technologie na principu přepojování paketů
– inspirováno protokoly TCP/IP
• které vznikaly prakticky souběžně – ve stejné době
– bude fungovat nespojovaně a nespolehlivě
• aby to bylo co nejjednodušší (vliv TCP/IP)
– bude fungovat stylem best effort
• nerozlišuje se druh přenášených dat, všem je měřeno stejně, žádná podpora QoS
• bude se využívat všesměrového šíření signálu
– inspirováno sítí ALOHAnet (na které se Robert Metcalfe podílel)
– bude využito takové přenosové médium, které umožňuje všesměrové šíření
• koaxiální kabel, který dokáže propojit více uzlů současně
– přes odbočky na kabelu
– řešení bude distribuované
• bez centrálního prvku (řídícího prvku, centrální autority apod.)
– budou se detekovat kolize
• na rozdíl od ALOHAnet-u, díky možnostem drátového přenosového média
– a následně „nějak“ řešit – s využitím prvku náhody
• tj. nedeterministicky
David Boggs
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 6 proč „ETHER“net? • 19. století, zjištění (J. C. Maxwell): elektromagnetické záření se šíří ve
formě vln
– i tam, kde „nic není“ (ve vakuu) !!!
• fyzikové vyslovili domněnku:
– i ve vakuu musí existovat „všeprostupující éter“
• jako pasivní prostředí, kterým se tyto vlny šíří
• tuto domněnku si posléze zase vyvrátili – 1887, Michelson-Morleyův pokus:
• dokázal, že éter nemůže existovat
James Clerk Maxwell (1831-1879)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 7 proč „ETHER“net? • 22.5.1973 napsal Robert Metcalfe memo pro své nadřízené
– v něm poprvé popsal možnosti technologie, kterou jeho tým začal vyvíjet
• přitom si vzpomněl na „éter“ (mezitím vyvrácenou hypotézu fyziků)
– kvůli paralele s všesměrovým šířením v Ethernetu
• poprvé použil jméno Ethernet
– memo se jmenovalo „Alto Ethernet“
– jakoby: namodeloval éter pomocí (koaxiálního) kabelu
původní Metcalfův náčtrtek
„když jeden uzel vysílá, všechny ostatní slyší jeho vysílání
„když jeden uzel vysílá, všechny ostatní slyší jeho vysílání
„když jeden uzel vysílá, všechny ostatní slyší jeho vysílání„
„sběrnice“ z koaxiálního kabelu
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 8 další vývoj Ethernetu • 1975:
– firma XEROX si podává patent:
• „Multipoint data communication system with collision detection“
– autoři: Metcalfe, Thacker, Boggs, Lampson
• podán 31. března 1975, přijat 13.12.1977 jako US Patent #4,063,220
• 1976:
– přidán příposlech nosné (CS, Carrier Sense)
– ve středisku PARC zprovozněna první síť Ethernet
• 1 km koaxiálního kabelu, propojuje přes 100 pracovních stanic
• pracuje s přenosovou rychlostí 2,94 Mbit/s
– odvozeno od rychlosti hodin stanic Alto
– publikován článek:
• Metcalfe, Boggs: „Ethernet: Distributed Packet-Switching for Local Computer Networks”
– Communications of the ACM, Volume 19 Issue 7, July 1976
• červen 1979:
– Robert Metcalfe odchází do firmy • založené za účelem dalšího rozvoje a komerčního využití Ethernetu
0. verze Ethernetu
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 9 DIX (Digital, Intel, Xerox) • 1979: k vývoji Ethernetu se (vedle XEROX-u) přidávají další 2 subjekty
– společnosti DEC (Digital Equipment Corporation) a Intel
– vzniká trio, označované jako DIX (Digital, Intel, Xerox)
– je založena společnost 3Com, získává venture kapitál ve výši 1,1 mil. USD
• 1980: DIX společně vytváří novou verzi Ethernetu: tzv. DIX Ethernet
– již s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s
• původní představa:
– DIX si Ethernet „nechají pro sebe“ a udělají z něj (proprietární) komerční produkt
• DEC bude vyrábět HW, Intel dodá čipy, Xerox poskytne svůj patent …..
– problém: byl by to monopol, porušovalo by to antimonopolní zákony USA !!!
• nová představa:
– specifikace Ethernetu se „otevřou“ (přijmou jako otevřený standard), podle nich bude moci vyrábět Ethernet kdokoli
– srovnání:
• firma IBM se v podobné situaci (se svou technologií Token Ring) zachovala přesně opačně
• svůj Token Ring neotevřela, ale dále chránila licencemi a patenty – až prohrála ……..
rozhodující moment v historii Ethernetu, významně přispěl k jeho fenomenálnímu úspěchu
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 10
• DIX si pro standardizaci Ethernetu vybral organizaci IEEE
– Institute of Electrical and Electronics Engineers
• mezinárodní neziskovou profesní organizaci (z oblasti elektrotechniky a informatiky)
– se sídlem v USA
– jednou ze součástí IEEE je IEEE-SA (IEEE Standards Association), zabývající se standardizací • jde o standardizační orgán de facto (nikoli de jure)
– tj. nemá žádný formální mandát a jeho standardy nejsou formálně závazné
• jeho standardy jsou dodržovány dobrovolně, protože je to považováno za vhodné a potřebné
• IEEE-SA má řadu projektů v oblasti standardizace, například:
– IEEE 610: terminologický slovník Software Engineering
– IEEE 754: aritmetika v plovoucí řádové čárce
– IEEE 802: standardy sítí LAN a MAN
– IEEE 1003: Unix compatibility programming standard - POSIX
– IEEE 1284: paralelní rozhraní (dříve Centronics)
– IEEE 1394: rozhraní FireWire
– …………
IEEE a Ethernet
založen v únoru roku 1980
prý: číslo 802 bylo další volné pořadové číslo
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 11 projekt IEEE 802 • v rámci projektu č. 802 (IEEE 802) existuje řada různých pracovních
skupin (Working Groups), které se zabývají:
– konkrétními technologiemi
• 802.3: Ethernet • 802.4: Token Bus
• 802.5: Token Ring (MAC vrstva)
• 802.11: WLAN
• 802.12: 100VG-AnyLAN
• 802.13: nevyužito
• 802.15: Wireless PAN
– 802.15.1 Bluetooth
– 802.15.2 koexistence 802.15 a 802.11
– 802.15.3 rychlé sítě WPAN (HR WPAN)
– 802.15.4 úsporné sítě WPAN (LR-WPAN) – ……
• 802.16: Broadband Wireless (WiMax)
• 802.20: Mobile Broadband Wireless
• 802.22: Wireless Regional Area Network • …….
– dalšími aspekty fungování sítí LAN a MAN
• 802.1: Bridging, network management
• 802.2: LLC pracovní skupina již
není aktivní
pracovní skupina je stále aktivní
tato pracovní skupina se dodnes zabývá všemi aspekty Ethernetu, její standardy
jsou označovány jako „802.3…….“
původně nemohla mít v názvu „Ethernet“
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 12 standardizace Ethernetu • 1980:
– DIX (Digital, Intel a Xerox) vydává vlastní specifikace Ethernetu
• Ethernet Blue Book (též: DIX Standard), popisuje 1. verzi Ethernetu
– tzv. DIX Ethernet, s rychlostí 10 Mbit/s, s použitím „tlustého“ koaxiálního kabelu
– DIX předkládá své specifikace (Blue Book) ke standardizaci společnosti IEEE
• IEEE akceptuje většinu specifikací, ale vůči některým detailům má výhrady a chce změnu
• „větev“ DIX:
– DIX (Digital, Intel a Xerox) některé výhrady akceptují a zapracovávají do nového návrhu
• jde hlavně o formát linkových rámců
– 1982: vychází nové specifikace
• dodnes označováno jako Ethernet II
– specifikace Blue Book 2
• „větev“ IEEE:
– IEEE sama provedla určité změny ve specifikacích (Blue Book)
– 23.6.1983: vydala je jako vlastní standard (IEEE 802.3)
– vyšší rychlosti, další přenosová média, řízení toku, Carrier Ethernet, ….
další vývoj v této „větvi“ již neprobíhal
veškerý další vývoj Ethernetu se odehrává již jen v této „větvi“
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 13 jméno Ethernet • původně:
– firma Xerox si zaregistrovala jméno Ethernet jako svůj trademark (ochrannou známku)
• muselo se psát jako ETHERNET !!!
• později:
– v průběhu standardizace u IEEE se Xerox svého trademarku vzdal
• proto dnes není nutné psát ETHERNET (ale lze psát Ethernet)
• důsledek:
• souvislost:
– když se v roce 1995 vybíralo mezi 2 verzemi, kandidujícími na 100 Mbit/s Ethernet, byla vybrána ta, která ponechávala přístupovou metodu CSMA/CD
• protože: „bez přístupové metody CSMA/CD by to už nebyl Ethernet“
– verze, která odstranila metodu CSMA/CD, se nakonec stala standardem IEEE 802.12
• se jménem 100 VG Any-LAN
– první standardy Ethernetu od IEEE ještě nepoužívaly jméno Ethernet
• ale (volně) „sítě na bázi přístupové metody CSMA/CD“
– protože vznikaly v době, kdy otázka trademarku ještě nebyla vyřešena
"IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications."
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 14 standardy Ethernetu • „větev“ DIX (Digital, Intel, Xerox),
standardy Blue Book
– 1973: 0. verze (2,94 Mbit/s)
– 1980: DIX Ethernet (10 Mbit/s)
– 1982: Ethernet II (DIX v2.0)
• 10Base5, thicknet
• 10Base2, thinnet, cheapernet
• „větev“ IEEE 802.3, standardy IEEE
– 1983: 802.3 10Base5
– 1985: 802.3a 10Base2
– 1985: 802.3b 10Broad36
– 1987: 802.3d FOIRL (optický opakovač)
– 1980: 802.3i 10BaseT (kroucená 2linka)
– 1980: 802.3j 10BaseF (optika)
– 1995: 802.3u 100 Mbit/s Ethernet
• 100Base-TX, 100Base-FX, 100Base-T4
– 1997: 802.3x full duplex a řízení toku
• včetně eth. rámců z DIX standardů
– 1998: 802.3z 1 Gbit/s Ethernet
• 1000Base-X (optika) – ………
standard z „větve IEEE“ přebírá formáty rámců Ethernet II
= faktický konec „dvou větví“
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 15 linkové rámce Ethernetu • hlavní rozdíl mezi „větví“ DIX a „větví“ IEEE 802.3 se týká linkových rámců
– „větev“ DIX používala vlastní typ rámce, dnes označovaný jako Ethernet II
• a síťové pakety (např. IP pakety) vkládá přímo do tohoto rámce
– „větev“ IEEE 802.3 rozdělila linkovou vrstvu (L2) na 2 podvrstvy (MAC a LLC)
• pro každou podvrstvu má samostatný typ rámce (IEEE 802.3 a IEEE 802.2)
• síťové pakety vkládá do rámce LLC
– a ten vkládá do rámce MAC
rámec MAC (IEEE 802.3)
rámec LLC (IEEE 802.2)
síťový paket (např. IP paket) síťový paket (např. IP paket)
linkový rámec (Ethernet II)
L1
L2
L3
LLC
MAC
– další rozdíly se týkají dalšího vývoje (DIX / Ethernet II se již dále nevyvíjel) , možností využití jiných přenosových médií, maximální velikosti nákladové části ….
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 16
asynchronní Ethernet, preambule • Ethernet je asynchronní (správně: arytmický)
– mezi jednotlivými rámci mohou být libovolně dlouhé prodlevy
• mají ale určitou minimální velikost (IFG: Interframe Gap): v délce min. 96 bitů !!
• důsledek:
– synchronizace mezi příjemcem a odesilatelem se udržuje po (celou) dobu přenosu linkového rámce
• díky redundanci v kódování Manchester (2 změny signálu na 1 bit, z toho 1 změna je časování)
– mezi jednotlivými rámci (během IFG) se synchronizace může ztratit
• ale na začátku rámce zase musí dojít k získání synchronizace
– k tomu slouží tzv. preambule
• posloupnost 64 bitů (8x8 bytů)
– vysílaná před samotným linkovým rámcem
• obvodům příjemce umožňuje získat synchronizaci
• rámce Ethernet:
– preambuli tvoří pravidelně se střídající 0 a 1: 01010101…….01010101
• 8 bytů v hodnotě: 5516 5516 5516 5516 5516 5516 5516 5516
• rámce IEEE 802.3:
– střádání 0 a 1 je na konci preambule narušeno: 010101……….01010111
?
min. 96 bitů min. 96 bitů
linkový rámec preambule
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 17 linkový rámec Ethernet II • linkové rámce Ethernetu mají jednoduchý obecný formát
• různé druhy rámců se liší podle toho, jak obsazují položku typ
• rámec Ethernet II: v položce typ je tzv. Ethertyp
– neboli údaj o typu nákladu v těle rámce
– například:
• 080016 = IPv4
• 86DD16 = IPv6
• 080616 = ARP • ……..
preambule hlavička tělo Σ
8 bytů 4 byty 46 až 1500 bytů 14 bytů
adresa příjemce
adresa odesilatele typ
6 bytů 6 bytů 2 byty
kontrolní součet
preambule hlavička tělo Σ
adresa příjemce
adresa odesilatele
typ
jakého typu je obsah v těle
rámce?
vždy větší než 1500 (5DC16)
IFG
„počáteční“ křídlová značka
implikovaná „koncová“
křídlová značka
• Ethernet II • IEEE 802.3
seznam viz http://standards.ieee.org/develop/regauth/ethertype/eth.txt
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 18 příklad rámce Ethernet II
IP paket
preambule hlavička tělo Σ
14 bytů
adresa příjemce
adresa odesilatele typ
6 bytů 6 bytů 2 byty
1500 bytů
1514 bytů
„snímek“ ze síťového analyzátoru Wireshark celková délka rámce (bez 4 bytů Σ)
celková délka IP paketu
druh linkového rámce: Ethernet II
typ nákladu (Ethertyp): 80016 = IP
adresa příjemce a odesilatele
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 19
• připomenutí: rámec Ethernet II
– v položce typ je typ nákladu
• tzv. Ethertyp
• (MAC) rámec IEEE 802.3:
– v položce typ je velikost (nákladové části) linkového rámce
• která je vždy menší (nebo rovna) 1500
– přesněji: jde o velikost vloženého LLC rámce
– připomenutí: jde pouze o MAC rámec
• do kterého se vkládá ještě LLC rámec !!!!
– a typ nákladu je vyjádřen v LLC rámci
• možnost rozlišení obou typů rámců:
– pokud je obsah položky typ > 1500, jde o (linkový) rámec Ethernet II
• a obsah položky typ představuje tzv. Ethertyp
– pokud je obsah položky typ <= 1500, jde o (MAC) rámec IEEE 802.3
• a obsah položky typ je velikostí (nákladové části) rámce
– tj. velikostí vloženého LLC rámce
46 až 1500 bytů
preambule hlavička tělo Σ
adresa příjemce
adresa odesilatele
typ
LLC rámec
MAC rámec IEEE 802.3
adresa příjemce
adresa odesilatele typ
6 bytů 6 bytů 2 byty • Ethernet II • IEEE 802.3
Ethertyp (typ nákladu)
velikost rámce
Protokol EtherTyp
IPv4 080016
ARP 080616
IPv6 86DD16
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 20 LLC rámec IEEE 802.2 • tento rámec je univerzální
– není určen pouze pro Ethernet
• tj. pro vkládání do MAC rámců IEEE 802.3
– ale je využíván i v jiných technologiích
• jako je např. Token Ring, Token Bus apod.
– proto:
• umožňuje rozlišovat různé druhy přenosů
– Type 1: nespojovaný nespolehlivý přenos
– Type 2: spojovaný přenos
– Type 3: spojovaný přenos s potvrzováním
• struktura LLC rámce (802.2):
– DSAP: Destination Service Access Point
– SSAP: Source Service Access Point
• „přechodový bod“, identifikuje entitu síťové vrstvy, která odesílá data
– tím je určen i typ těchto dat (= obdoba Ethertypu)
• jen 64 platných možností (tzv. SAP numbers), spravuje IEEE: 06 = IP
– Control:
• rozlišuje druh přenosu (Type 1, Type 2, Type 3, ….)
46 až 1500 bytů
preambule hlavička tělo Σ
adresa příjemce
adresa odesilatele
typ
LLC rámec
síťový paket
DSAP SSAP Control tělo
body SAP
pro Ethernet jen Type 1 („U“ – unnumbered)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 21 LLC rámec IEEE 802.2 SNAP • (obecný) LLC rámec 802.2 má nepříjemný problém:
– 1 byte nestačí pro specifikaci všech typů nákladu
• fakticky je pro typ nákladu vyhrazena jen 1/4 všech možných hodnot 1 bytu (64)
– 2 bity jsou vyhrazeny pro „lokální“ využití
– srovnání: MAC rámce Ethernet II mají 2 byty pro typ nákladu (Ethertyp)
– nejde použít pro protokol IP: není samostatný „SAP number“ pro protokol ARP
• řešení: SNAP (SubNetwork Access Protocol)
– rozšíření rámce 802.2 tak, aby mohl pracovat s Ethertypy (jako Ethernet II)
• dokonce: umožňuje používat (vlastní) 2-bytové Ethertypy, rozlišené přes OUI
– OUI specifikuje výrobce: význam položky typ
• (OUI = 0) => jde o původní Ethertyp
DSAP SSAP Control tělo
OUI typ tělo
1 B 1 B 1 B
3 B 2 B
max. 1500 B
38 až 1492 B
tělo hlavička Σ
položky DSAP a SSAP musí mít
hodnotu AAH
o 8 bytů méně než u rámců Ethernet II
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 22 příklad rámce SNAP
DSAP SSAP Control tělo
OUI typ tělo 1 B 1 B 1 B
3 B 2 B
14 B
tělo hlavička Σ
IP paket IP: 125 bytů
SNAP: 130 B LLC: 133 B
MAC: 147 B
MAC: 147 B
druh (MAC) rámce: IEEE
802.3
rámec LLC (IEEE 802.2)
rozšíření SNAP
DSAP=AAH
SSAP=AAH
OUI=00
typ (Ethertyp): 0800H
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 23 shrnutí problematiky rámců • v praxi se dnes používají dva druhy rámců
– rámce Ethernet II
• „pojmou“ až 1500 bytů užitečného nákladu (TCP/IP: MTU=1500)
– v praxi převažují
• jsou implicitní volbou v prostředí MS Windows i ostatních OS
– rámce IEEE 802.3+802.2, s rozšířením SNAP
• „pojmou“ max. 1492 bytů užitečného nákladu (TCP/IP: MTU=1492)
– o 8 bytů méně
• 3 byty tvoří hlavička LLC rámce, 5 bytů rozšíření SNAP
v MS Windows lze měnit jen skrze nastavení v registru (Ethernet II: 0, SNAP: 1)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 24 přístupová metoda Ethernetu • byla nutná u prvních verzí Ethernetu
– kvůli použití sdíleného přenosového média
• vlastnosti přístupové metody:
– je distribuovaná
• nemá centrální autoritu
– je 1-persistentní
• když zájemce o vysílání (pomocí CS/příposlechu nosné) zjistí, že právě probíhá nějaké vysílání, je „vytrvalý“ (persistentní) - čeká na konec probíhajícího vysílání
– je nedeterministická
• využívá prvek náhody – nelze predikovat výsledek, negarantuje přístup k médiu
– při detekci kolize se uzel odmlčí na náhodně zvolenou dobu
• volí ji z intervalu, který se při opakované kolizi zvětšuje vždy na dvojnásobek – tzv. binary backoff
• tím se dále „pomáhá“ náhodě
– při vyšší zátěži přestává být efektivní
• roste vliv režie kolem kolizí
Carrier Sense
Multiple Access
Collision Detection
vysílání vysílání
CS
čekání
CSMA/CD
vysílání vysílání
1x 2x 4x ….
kolize
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 25 kolize, časový slot • přístupová metoda CSMA/CD pracuje s kolizemi
– snaží se minimalizovat jejich počet (skrze CS) – ale nevylučuje jejich výskyt
• kolize nejsou chybou, ale (běžným) „provozním stavem“
– ale musí se s nimi korektně nakládat
• požadavky na kolize a jejich detekci:
– ke kolizím by mělo docházet jen na začátku vysílání ethernetového rámce
• řešení (dle standardu):
– ke kolizi může dojít jen během vysílání prvních 512 bitů přenášeného rámce
• poté už by ke kolizím nemělo docházet
• po odvysílání 512 bitů již vysílající uzel má jistotu, že „získal přenosový kanál“
– velikost časového slotu (okénka kolize) je volena „tak, aby se signál stihl dostat tam a vrátit zpět“
• cca 2x doba šíření signálu po nejdelší cestě v tzv. kolizní doméně
512 bitů zbytek rámce
může dojít ke kolizi
již by nemělo docházet ke kolizím
doba vysílání prvních 512 bitů rámce představuje tzv. časový
slot (slot time). označovaný též jako okénko kolize (collision
window)
pokud přeci jen dojde ke kolizi, je to tzv. pozdní kolize (late collision) či kolize
mimo okénko (out of window collision) a řeší se jako chyba
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 26
minimální velikost ethernetového rámce
• kvůli časovému slotu (okénku kolize) musí mít každý ethernetový rámec určitou minimální velikost
– nesmí být menší než časový slot: 512 bitů (64 bytů)
– minimální velikost linkového rámce je stejná pro různé rychlostní varianty poloduplexního Ethernetu
– tj. toho, který používá přístupovou metodu CSMA/CD
• ale: kvůli různé přenosové rychlosti má časový slot (okénko kolize) různou délku v čase !!
– Ethernet 10 Mbit/s: 512 bitů (64 bytů) se přenese za 51,2 μs
– Ethernet 100 Mbit/s: 512 bitů (64 bytů) se přenese za 5,12 μs
– plně duplexního Ethernetu (10 Gbit/s a výše) se minimální velikost rámce netýká
– u Ethernetu 1 Gbit/s je to „složitější“ (má plně duplexní i poloduplexní variantu)
preambule hlavička tělo Σ
8 bytů 4 byty 46 až 1500 bytů 14 bytů
kontrolní součet
Σ preambule hlavička tělo
8 bytů 4 byty 46 bytů 14 bytů
64 bytů (512 bitů)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 27
• kolizní doména
– taková část ethernetové sítě, v rámci které se šíří kolize
– možnosti:
• jeden kabelový segment
• více kabelových segmentů, propojených na fyzické vrstvě (pomocí opakovačů)
– neboť: opakovače propouští kolize
– kde kolizní doména „končí“?
• „na konci kabelu“ (pokud není napojen na nějaký aktivní prvek)
• na nejbližším přepínači, směrovači atd.
– na aktivním prvku, který pracuje na linkové vrstvě či vyšší vrstvě
• protože takovéto aktivní prvky již nešíří kolize !!
• velikost kolizní domény
– „taková, aby se kolize stihla rozšířit během časového slotu“ (512 bitů / 64 bytů)
• během vysílání nejkratšího rámce
– konkrétně: „délka“ kolizní domény je max. 232 bitů
• aby se informace o kolizi stihla rozšířit během dalších 232 bitů (celkem 2x232=464 bitů)
– a ještě zbylo 48 bitů na tzv. jam signál
kolizní doména
kolizní doména
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 28
kolize v kolizní doméně, jam signál • uzel, který detekuje kolizi, nesmí ihned přestat vysílat
– ale musí odvysílat tzv. jam signál (4 až 6 bytů alternujících 0 a 1)
• aby všechny uzly v kolizní doméně stihly korektně zaznamenat kolizi
uzel A uzel B
232 bitů
uzel B začal vysílat těsně předtím, než k němu „dorazil“ signál od A,
a záhy detekoval kolizi
uzel B odvysílal jam signál, který se postupně šíří
směrem k uzlu A
uzel A pokračuje ve vysílání, protože ještě
neví o kolizi
2 x 232 + 6 x 8 = 512 bitů
A B
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 29
velikost kolizní domény: Ethernet 10 Mbit/s
• koaxiální kabel:
– přenos 1 bitu trvá 1/10 μs, za tu dobu signál „urazí“ cca 23 metrů (v koax. kabelu)
• max. délka souvislého kabelového segmentu: 232 (bitů) x 23 m = cca 5336 m
• v praxi:
– max. délka všech kabelů kabelu musí být podstatně kratší (např. jen 2500 m)
• protože ke zpoždění dochází i na dalších prvcích, například:
– drop kabel: 1 bit na 19.5 metru
– transceiver: 4 bity
– opakovač: 6 bitů („a něco“)
• obvyklá pravidla pro „velikost“ kolizní domény (Ethernet 10 Mbit/s)
– max. 2 opakovače mezi libovolnými 2 uzly – pravidlo 5-4-3
• max. 5 kabelových segmentů
• max. 4 opakovače
• max. 3 opakovače jsou „obydlené“
A B C
A B C
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 30
v praxi se téměř nepoužívá
• Ethernet 1 Gbit/s
– teoreticky se vše zkracuje na 1/100
• což by bylo neúnosné
– prakticky: 2 různé režimy fungování
• poloduplexní Ethernet 1 Gbit/s
– zvětšuje minimální velikost rámce 8x
• spojováním více rámců nebo „vatou“
• duplexní Ethernet 1 Gbit/s
– již nepotřebuje přístupovou metodu, nemá kolize
• omezení dosahu kvůli kolizím / kolizní doméně odpadají !!!
• Ethernet 10 Gbit/s a vyšší
– funguje již pouze plně duplexně
• nevyžaduje přístupovou metodu
– poloduplexní způsob fungování by vedl na zcela neúnosná omezení
velikost kolizní domény: 100 Mbit/s a vyšší
• Ethernet 100 Mbit/s
– teoreticky: vše se zkracuje na 1/10
– prakticky:
• existují 2 druhy opakovačů:
– typ I smí být v kolizní doméně jen 1x,
– typ II smí být v kolizní doméně 2x
• pro kroucenou dvoulinku (100 Base TX):
– se 2 opakovači max. 205 metrů
– s 1 opakovačem max. 200 metrů
– bez opakovače: max. 100 metrů
• pro (mnohovidové) optické vlákno:
– bez opakovače: max. 412 metrů
– s opakovači: méně !!
platí pro poloduplexní fungování Ethernetu 100 Mbit/s
(může ale fungovat i plně duplexně)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 31 ethernetové adresy • hovoří se o nich (obecně) jako o MAC adresách
– protože se používají na podvrstvě MAC (Media Access Control)
• existují 2 různé rozsahy a 3 různá označení ethernetových adres:
1. 48-bitové adresy: MAC-48 a EUI-48 (Extended Unique Identifier)
2. 64-bitové adresy: EUI-64
• mohou být přidělované:
1. globálně (Universal, globally unique address)
• z jednoho centrálního adresového prostoru, jehož správcem je IEEE
2. místně (Local, locally administered)
• přiděluje místní správce, není záruka celosvětové unikátnosti
• mohou sloužit potřebám
1. unicastu: označují jen jedno síťové rozhraní (a tím i jeden uzel)
2. multicastu/broadcastu: označují více síťových rozhraní
• více uzlů v rámci multicastové skupiny (či broadcastu)
již se nemá používat má se používat
(IEEE má na tato označení trademark)
má se používat (IEEE má na tato
označení trademark)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 32 ethernetové adresy • mají 2 logické složky
– OUI (Organizationally Unique Identifier), vždy 3 byty (24 bitů)
• identifikuje výrobce: konkrétní hodnoty OUI jim přiděluje IEEE
– přidělení viz http://standards.ieee.org/develop/regauth/oui/oui.txt
• část bitů OUI rozlišuje unicast/multicast a Universal/Local
– „číslo rozhraní“: 3 nebo 5 bytů, konkrétní hodnota (sériové číslo rozhraní)
OUI „číslo rozhraní“
MAC- 48, EUI- 48:
EUI- 64:
U/L I/G 0: Individual (unicast address) 1: Group (multicast address)
0: Universal (globálně přidělované, globally unique) 1: Local (místně přidělované, locally administered)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 33 příklad
00-11-32: Synology, U/L=U, I/G=I
00-14-6c: Netgear, U/L=U, I/G=I
00-24-be: Sony, U/L=U, I/G=I
e0-f8-47: Apple, U/L=U, I/G=I
a0-f3-c1: TP-LINK, U/L=U, I/G=I
ff-ff-ff: U/L=L, I/G=G (Local, Group)
lokální, broadcast adresa
globální, multicast adresa
globální, unicast adresa
výrobce
01-00-5e: U/L=U, I/G=G (Universal, Group)
NSWI021
Počítačové sítě II verze 4.0, lekce 3, slide 34
pořadí přenosu (Endian) v Ethernetu
• Ethernet používá konvenci:
– Big Endian, pokud jde o jednotlivé byty
• nejprve se přenáší vyšší („levé“) byty
– Little Endian, pokud jde o jednotlivé bity
• nejprve se přenáší nižší („pravé“) bity
• příklad: 01-00-5e-7f-ff-fa
– jde o globální multicastovou adresu (U/L=0, I/G=1)
proč zrovna takto (divně)?
ff 7f fa 00 01 5e
1 0 0 0 0 0 0 0
Big Endian
Little Endian
směr přenosu
I/G bit je přenesen jako první
U/L bit jako druhý
…. 0 1 1 1 1 0 1 0
00000001 01011110
